혼성 오비탈 이론에서 sp3, sp2, sp 혼성 공정이 일어나는 원리가 궁금해요

Question

탄소 원자가 결합할 때 s 오비탈과 p 오비탈이 서로 섞여 동등한 에너지의 혼성 오비탈을 형성함으로써 메테인(정사면체), 에텐(평면 삼각형), 에타인(직선형) 같은 다중 결합 구조를 만드는 과정이 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

혼성은 탄소 안에서 오비탈이 실제로 녹아 섞이는 사건이라기보다, 결합한 분자의 모양을 설명하려고 파동함수를 수학적으로 다시 조합한 모형이에요. 공 모양 s 오비탈과 서로 수직인 p 오비탈들을 일정 비율로 더하고 빼면 한쪽으로 불룩한 오비탈이 만들어져요. 이 오비탈들의 에너지는 2s와 2p의 중간쯤이고, 섞는 p의 개수에 따라 방향이 정해져요. 넷을 다 섞으면 정사면체 꼭짓점 넷, p 둘만 섞으면 평면 위 세 방향, p 하나만 섞으면 양쪽 두 방향이 돼요.

혼성에 쓰이지 않은 p 오비탈은 그대로 남아 이웃 탄소의 p 오비탈과 옆으로 겹치며 π 결합을 만들어요. 옆으로 겹치는 π 결합은 정면으로 겹치는 σ 결합보다 약해요. C–C 단일 결합이 348 kJ/mol, C=C 이중 결합이 614 kJ/mol이라 π 결합 몫은 266 정도예요. 그래서 에텐 같은 이중 결합 화합물은 π 결합이 쉽게 끊어지며 다른 원자가 달라붙는 첨가 반응을 잘 일으켜요.

π 결합은 두 p 오비탈이 나란해야 유지되니 이중 결합은 축을 따라 돌 수 없어서, 같은 분자식이라도 시스형과 트랜스형이 따로 존재해요 :)

Answer 2

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

탄소의 혼성 오비탈은 s와 p 오비탈을 결합 형태에 맞게 새롭게 표현하는 양자화학적 모형으로 ,실제로 오비탈이 물리적으로 섞이는 공정은 아닙니다.

sp3 혼성에서는 s1개와 p 3개가 결합해 같은 에너지의 오비탈 4개가 생기고, 메테인처럼 정사면체 구조를 만듭니다. sp2 혼성에서는 s 1개와 p 2개가 섞여 서로 반대 방향의 오비탈 2개가 생기고, 남은 p 오비탈 2개가 파이 결합을 만들어 에텐의 이중결합을 형성하게 됩니다. sp 혼성에서는 s1 개와 p 1개가 섞여 서로 반대 방향의 오비탈 2개가 생기고, 남은 p 오비탈 2개가 파이 결합에 참여합니다.

그래서 에타인에서는 탄소 사이에 하나의 시그마 결합과 두 개의 파이 결합이 형성되어 삼중결합과 직선 구조가 만들어지게 됩니다.

결국 sp3, sp2, sp 혼ㅁ성은 탄소가 만드는 결합 수와 다중결합 여부에 따라 분자의 공간 구조를 설명하는 방법으로 보시면 되겠습니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

탄소 원자는 결합 전 에너지 준위가 다른 s 오비탈과 p 오비탈을 섞어 완전히 동등한 에너지를 갖는 새로운 혼성 오비탈을 형성합니다 메테인의 sp3 혼성은 1개의 s와 3개의 p 오비탈이 결합해 4개의 오비탈이 정사면체 구조를 이룹니다 에텐의 sp2 혼성은 1개의 s와 2개의 p 오비탈이 섞여 평면 삼각형 구조를 만들고 남은 p 오비탈로 이중 결합을 형성합니다 에타인의 sp 혼성은 1개의 s와 1개의 p 오비탈이 결합해 직선형 구조를 이루며 남은 두 p 오비탈로 삼중 결합을 완성합니다 이처럼 혼성 공정은 전자 간 반발을 최소화하고 오비탈 겹침을 극대화하여 다양한 유기 화합물의 안정된 입체 구조를 결정짓습니다